KR20130122170A - 저강도 및 초속경성을 갖는 유동화 되메움재용 고화재 조성물 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 저강도 및 초속경성을 갖는 유동화 되메움재용 고화재조성물에 관한 것으로, 보다 상세하게는 도시 내의 지중 송전관로, 가스관로, 상수도관로 등을 매설하기 위한 굴착 공사 후 현장 발생토와 고화재를 혼합하여 유동성이 있는 고화토를 제조한 후 이를 굴착부분과 관로의 배면에 채우고 양생하는 공사과정에서 사용되는 재료로서, 소각잔재에 다량 함유된 CaO의 발열반응과 체적팽창작용을 이용하여 토양의 간극수를 제거하고 함수율을 저감하여 토양을 조속히 안정시키는 유동화 되메움재용 고화재조성물에 관한 것이다.
본 발명에 의한 저강도 및 초속경성을 갖는 유동화 되메움재용 고화재는 산화칼슘(CaO) 함량이 35%~70%인 제지슬러지 소각잔재 100중량부에 대하여, 고로슬래그미분말 80~150중량부, 페트롤코우크스 탈황석고 40~100중량부, 황산염자극제 5~10중량부 및 유동화제분말 1~5중량부를 포함한다.
본 발명에 의한 저강도 및 초속경성을 갖는 유동화 되메움재용 고화재는 산화칼슘(CaO) 함량이 35%~70%인 제지슬러지 소각잔재 100중량부에 대하여, 고로슬래그미분말 80~150중량부, 페트롤코우크스 탈황석고 40~100중량부, 황산염자극제 5~10중량부 및 유동화제분말 1~5중량부를 포함한다.
Description
본 발명은 저강도 및 초속경성을 갖는 유동화 되메움재용 고화재조성물에 관한 것으로, 보다 상세하게는 도시 내의 지중 송전관로, 가스관로, 상수도관로 등을 매설하기 위한 굴착 공사 후 현장 발생토와 고화재를 혼합하여 유동성이 있는 고화토를 제조한 후 이를 굴착부분과 관로의 배면에 채우고 양생하는 공사과정에서 사용되는 재료로서, 소각잔재에 다량 함유된 CaO의 발열반응과 체적팽창작용을 이용하여 토양의 간극수를 제거하고 함수율을 저감하여 토양을 조속히 안정시키는 유동화 되메움재용 고화재조성물에 관한 것이다.
일반적으로 도시내에서 송전관로, 가스관로, 상수도관로 등을 매설하기 위한 굴착공사를 시행하는데, 공사에서 발생한 현장토는 사토처리하고 양질의 모래를 구입하여 관로 부설 배후면을 되메움하는 방법으로 시공되고 있다.
이는 현장발생토의 사토장 운송 및 폐기비용과 양질의 모래 구입비용 등 시공비용도 많이 드는 문제점이 있으며, 공사 시공품질 면에 있어서도 부설관로 배후면의 특성상 다짐을 하기가 곤란하며, 다짐을 하더라도 모래나 토사가 부설관로 배후면의 좁은 공간으로 충분히 침투되지 않아 시공 후 침하가 필연적으로 발생하는 등 많은 문제점이 있다. 또한 이러한 부적절한 다짐을 개선하기 위해 물다짐공법과 같은 방법을 이용하기도 하지만 굴착공사의 구배 등에 의해 물이 특정구간으로 흘러가는 등 시공 상의 많은 어려움이 있다.
또한 이러한 문제점을 해결하기 위해 모래, 시멘트, 플라이애시, 물, 혼화제등으로 구성된 저강도 고화토(CLSM : Controlled Low Strength Materials)를 활용하는 방안도 강구되기는 하나, 시공비가 많이 소용되는 경제적인 문제점과 양생기간이 길다는 단점이 있어 실제 시공에 활용되고 있지는 않다.
최근에는 이러한 기존의 되메움공법의 문제점을 개선하여 일반시멘트에 속경성 시멘트와 슬래그분말 등을 혼합한 속경성 고화재들이 제시되고 있다. 예를 들면 국내 등록특허 10-0772637과 국내 등록특허 10-0772638에서는 일반시멘트와 슬래그미분말에 칼슘 페로 알루미네이트(CFA : Calcium Ferro Aluminate) 또는 칼슘 설포 알루미네이트(CSA : Calcium Sulpho Aluminate)계 광물을 각각 15 ~ 30 중량부와 25 ~ 45 중량부를 혼합하는 기술을 제안하였다. 그러나 이 방법에 사용되는 칼슘 페로 알루미네이트(CFA : Calcium Ferro Aluminate) 또는 칼슘 설포 알루미네이트(CSA : Calcium Sulpho Aluminate)는 국내에서는 생산되지 않고 주로 중국과 일본에서 수입되고 있는 특수시멘트로서, 1톤당 가격이 약 70만원을 상회하여, 일반시멘트 가격의 약 10배에 달하는 엄청난 고가이기 때문에 매우 많은 비용이 들어가는 비 합리적인 방법이라 할 수 있다.
또한 이들 종래 기술은 시멘트, 고로슬래그 미분말, CSA, CFA, 석회 등으로 혼합된 무기성 고화재와 흙을 수화 반응 시키고 에트링가이트를 형성시켜 흙의 강도를 높이고 내구성을 향상시키려 의도 하고 있으나, 천연 흙에는 유기물이 분해되어 형성한 유기산 등에 의하여 이러한 반응이 저해된다. 따라서 소정의 강도 및 내구성을 갖기 위해서는 일정량 이상의 시멘트가 필요하거나 석회, 슬래그 등의 함량을 늘려야 하므로 모두 강알칼리 물질로 구성된 이들 고화재의 영향으로 고화토의 알칼리도가 높아져 토양의 염기성화를 촉진시키는 나쁜 영향을 준다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 소각잔재에 다량 함유된 CaO의 발열반응과 체적팽창작용을 이용하여 토양의 간극수를 제거하고 함수율을 저감하여 토양을 조속히 안정시키는 유동화 되메움재용 고화재 조성물을 제공하는 것이다.
위와 같은 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명에 의한 저강도 및 초속경성을 갖는 유동화 되메움재용 고화재는 산화칼슘(CaO) 함량이 35%~70%인 제지슬러지 소각잔재 100중량부에 대하여, 고로슬래그미분말 80~150중량부, 페트롤코우크스 탈황석고 40~100중량부, 황산염자극제 5~10중량부 및 유동화제분말 1~5중량부를 포함한다.
또한 상기 소각잔재는 비표면적이 2,500~6,000/g인 것이 바람직하다.
또한 상기 황산염 자극제는 황산칼슘, 황산알루미늄, 황산마그네슘 및 황산나트륨 중 선택된 어느 하나이거나 둘 이상의 혼합물인 것이 바람직하다.
또한 상기 유동화제분말은 멜라민계, 나프탈린계, 리그닌계 유동화제 분말 중 선택된 어느 하나이거나 둘 이상의 혼합물인 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 제지슬러지 소각잔재에 다량 함유된 CaO의 발열반응과 체적팽창작용을 이용하여 토양의 간극수를 제거하고 함수율을 저감하여 토양을 조속히 안정시키는 효과가 있다.
또한 각종 관로부설 지중화공사에서 굴삭된 현장의 풍화토, 사질토와 같은 현장토사와 물과 함께 혼합되어 높은 유동성을 가지는 동시에 조기강도 발현이 매우 우수하고 유지보수를 위한 재굴착이 용이하도록 장기간의 강도는 많이 증진하지 않는 저강도 및 속경성을 갖는 효과가 있다.
이하, 본 발명에 의한 유동화 되메움재용 고화재에 대하여 구체적으로 설명한다.
먼저, 본 발명에 의한 유동화 되메움재용 고화재의 구성성분 및 작용을 설명한다.
본 발명에 의한 유동화 되메움재용 고화재는 산화칼슘(CaO) 함량이 35%~70%인 제지슬러지 소각잔재 100중량부에 대하여, 고로슬래그 미분말 80~150중량부, 페트롤 코우크스 탈황석고 40~100중량부 및 황산염자극제 5~10중량부와 유동화제 분말 1~5중량부를 포함한다.
또한 상기 제지 슬러지 소각잔재는 시험결과 비슷한 공정을 거쳐 발생되는 바이오매스 소각잔재, 페트롤 코크스 소각잔재, RDF(Refuse Derived Fuel) 소각잔재 및 RPF(Refuse Plastic Fuel) 소각잔재에 비하여 흡수하는 작용이 탁월하였다. 제지슬러지 소각잔재에 다량 함유된 산화칼슘은 물과 반응하여 흡수, 발열 및 팽창하여 수산화칼슘이 된다. 이에 대한 반응식은 아래와 같다.
CaO+ H2O->Ca(OH)2+15.6kcal mol-1
통상 석탄연소 플라이애시 등의 소각잔재는 콘크리트 혼화재료로 재활용됨에도 불구하고, 위와 같이 산화칼슘이 다량 함유된 소각잔재는 흡수, 발열 및 팽창 특성이 있어 콘크리트 혼화재료로 활용이 불가능하다.
따라서 본 발명은 통상적으로 콘크리트 혼화재료로 활용할 수 없는 제지슬러지 소각잔재를 이용하는 것이다.
또한 상기 제지슬러지소각잔재는 비표면적이 2,500~6,000cm2/g인 것이 바람직하다. 상기 소각잔재의 비표면적이 2,500cm2/g 미만일 경우 미립분 부족으로 활성도가 떨어져 천연토양의 고화시 함수율 저감효과가 저하되고, 비표면적이 6,000cm2/g 초과일 경우 고화재와 자연토양의 혼합시 겉보기 밀도가 지나치게 낮아져 혼합 중에 비산되고 혼합성능이 저하된다.
또한 상기 고로슬래그 미분말은 유사한 공정을 거쳐 생산되는 전로슬래그 미분말, 제강슬래그 미분말, 스테인리스슬래그 미분말 및 동제련슬래그 미분말 등과 비교하여 시험하였을 때 황산염자극에 의한 초기강도발현이 탁월하였다.
또한 상기 페트롤 코우크스 탈황석고는 반응초기에 에트린가이트를 다량 생성해주는 물질로서 소각로에서 폐기물로 발생하기 때문에 동등한 성능을 발휘하는 무수석고나 소성에 의한 탈수과정을 거쳐야하는 인산석고 등에 비해서 경제성이 월등하다.
또한 상기 황산염 자극제는 황산칼슘, 황산알루미늄, 황산마그네슘 및 황산나트륨 중 선택된 어느 하나이거나 둘 이상의 혼합물인 것이 바람직하다.
상기 슬래그 미분말과 황산염 자극제 화학반응에 따른 초기 재령에서의 강도발현은 다량의 에트링가이트(ettringite)를 골격으로 이와 동시에 생성된 C-S-H겔에 의해 이루어진다. 또한 C-S-H겔은 에트링가이트를 감싸며 재령이 경과함에 따라 생성량이 지속적으로 증가하고 C-S-H겔이 경화된 페이스트의 공극을 밀실하게 채우게 되어 에트링가이트와 치밀한 네트워크식 망상구조를 형성하면서 지속적으로 강도를 발현을 한다.
또한 천연토양이 수분을 포함한 미립분을 다량함유하고 있는 관계로 고화재와의 혼합이 균질하게 되지 않기 때문에 고화재 입자의 분산을 촉진하고, 고화토로 하여금 상대적으로 적은 물을 혼합하여도 높은 유동성을 가질수 있도록 할 목적으로 유동화제 분말이 더 포함되는 것이 바람직하다.
또한 상기 유동화제분말은 멜라민계, 나프탈린계, 리그닌계 유동화제 분말로 이루어진 혼합군에서 선택된 어느 하나이거나 둘 이상의 혼합물로 구성할 수 있는데, 상기 제지슬러지 소각잔재 100중량부에 대하여 1~5중량부 혼입되는 것이 바람직하다. 상기 유동화제의 혼입량이 1중량부 미만이면 너무 소량이라 고화재 제조상 완벽한 혼합을 할 수 없으며, 5중량부 이상이면 추가 투입되어도 분산 효과가 비례적으로 늘어나지 않고 오히려 감소할 수 있으며, 고가의 원료이므로 경제적으로 비효율적이다.
이하에서 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예들이 기술되어질 것이다. 또한 이하의 실시예들은 본 발명을 예증하기 위한 것으로서 본 발명의 범위를 국한하는 것으로 이해되어져서는 않된다.
실시예
1
먼저, 산화칼슘 함량이 56%인 제지슬러지 소각잔재 100중량부에 대하여, 고로슬래그 미분말 120중량부, 페트롤 코우크스 탈황석고 80중량부 및 황산염자극제 8중량부와 유동화제로서 나프탈렌 분말 3중량부를 균일하게 혼합하여 유동화 되메움재용 고화재를 제조하였다.
다음으로 건조된 천연토양 100중량부에 대하여 위와 같이 제조된 고화재 30중량부에 60중량부의 물을 첨가하여 강제식 믹서로 충분히 혼합하여 플로우가 380mm의 유동화 되메움용 고화토를 제조하였다. 되메움용 고화토의 가사시간을 측정하기 위하여 혼합직후, 10분, 20분, 30분의 플로우를 측정하였으며, 고화토의 압축강도는 3시간, 1일, 28일 압축강도를 측정하기 위하여 이를 지름 10cm, 높이 20cm의 몰드에 투입하여 9개의 공시체를 제작하고 항온항습기에서 상대습도 90%, 온도는 섭씨 20도의 환경에서 양생하였다.
실시예
2
건조된 천연토양 100중량부에 대하여, 상기 실시예1과 동일한 고화재 40중량부에 80중량부의 물을 첨가하여 강제식 믹서로 충분히 혼합하여 플로우 420mm의 유동화 되메움용 고화토를 제조하고 하였다. 되메움용 고화토의 가사시간을 측정하기 위하여 혼합직후, 10분, 20분, 30분의 플로우를 측정하였으며, 고화토의 압축강도는 3시간, 1일, 28일 압축강도를 측정하기 위하여 이를 지름 10cm, 높이 20cm의 몰드에 투입하여 9개의 공시체를 제작하고 항온항습기에서 상대습도 90%, 온도는 섭씨 20도의 환경에서 양생하였다.
비교예
1
건조된 천연토양 100중량부에 대하여, 본 발명의 고화재를 포함하지 않은 보통 포틀랜드 시멘트를 30중량부에 60중량부의 물을 첨가하여 강제식 믹서로 충분히 혼합하여 플로우 210mm의 유동화 되메움용 고화토를 제조하고 하였다. 되메움용 고화토의 가사시간을 측정하기 위하여 혼합직후, 10분, 20분, 30분의 플로우를 측정하였으며, 고화토의 압축강도는 3시간, 1일, 28일 압축강도를 측정하기 위하여 이를 지름 10cm, 높이 20cm의 몰드에 투입하여 9개의 공시체를 제작하고 항온항습기에서 상대습도 90%, 온도는 섭씨 20도의 환경에서 양생하였다.
비교예
2
건조된 천연토양 100중량부에 대하여, 본 발명의 고화재를 포함하지 않은 보통 포틀랜드 시멘트를 40중량부에 80중량부의 물을 첨가하여 강제식 믹서로 충분히 혼합하여 슬럼프 270mm의 유동화 되메움용 고화토를 제조하고 하였다. 되메움용 고화토의 가사시간을 측정하기 위하여 혼합직후, 10분, 20분, 30분의 플로우를 측정하였으며, 고화토의 압축강도는 3시간, 1일, 28일 압축강도를 측정하기 위하여 이를 지름 10cm, 높이 20cm의 몰드에 투입하여 9개의 공시체를 제작하고 항온항습기에서 상대습도 90%, 온도는 섭씨 20도의 환경에서 양생하였다.
유동화
되메움용
고화토의 성능시험방법 및 결과
아래 표 1에 나타낸 바와 같이 플로우 시험은 KS F 2594, 압축강도시험은 KS F 2343방법에 의해 실시하였다.
| 실험 | 방법 | 비고 |
| 슬럼프 플로우 | KS F 2594 | 슬럼프 플로우 시험방법 |
| 압축강도 | KS F 2343 | 일축압축강도시험방법 |
(1)
플로우의
경시변화
유동화 되메움용 고화토의 가사시간을 측정하기 위하여 혼합후 10분, 20분, 30분의 플로우를 측정하였고, 그 결과를 표 2에 나타내었다. 표2에서 알 수 있는바와 같이 시멘트만을 사용한 비교예 1과 비교예 2에서는 동일한 물량을 첨가하였음에도 플로우가 상대적으로 낮게 나타났으며, 플로우 경시변화는 매우 낮은 수준으로 나타났다. 이는 유동화제의 미사용으로 초기 플로우는 낮게 나타났고, 시멘트의 수화가 늦기 때문에 경시변화역시 크지 않은 것으로 판단된다.
반면, 아래 표 2에 나타난바와 같이 본 발명의 고화재를 이용하여 제조된 실시예 1과 실시예 2의 고화토에서는 초기 플로우치는 시멘트만 사용한 되메움용 고화토에 비해서 상당히 높게 나타났으며, 10분 정도 까지는 경시변화가 크지 않으나 20분부터는 플로우가 급격하게 떨어져 초기에 화학반응이 개시됨을 알 수 있는데, 이는 고화재에 다량 포함되어있는 산화칼슘성분의 발열 및 흡수작용에 기인한바가 크다고 할 수 있다. 하지만 혼합 후 10분 까지는 재료를 시공하는데 충분한 유동성을 유지하기 때문에 되메움재로 활용하는데 무리가 없다고 판단된다.
| 구분 | 플로우(mm) 경시변화 | 일축압축강도(kgf/cm2) | |||||
| 혼합직후 | 10분 | 20분 | 30분 | 3시간 | 1일 | 28일 | |
| 실시예1 | 380 | 310 | 170 | 70 | 1.3 | 2.4 | 9.5 |
| 실시예2 | 420 | 290 | 170 | 50 | 1.6 | 2.9 | 9.2 |
| 비교예1 | 210 | 200 | 200 | 160 | 0.1 | 1.8 | 16.1 |
| 비교예2 | 270 | 250 | 230 | 160 | 측정불가 | 1.9 | 18.3 |
(2)
일축압축강도의
변화
표2에 실시예 1 및 실시예 2 그리고 비교예 1 과 비교예 2의 일축압축강도를 나타내었다. 이를 통해 알 수 있는 바와 같이, 양생 1일에, 실시예 1은 2.4 kgf/cm2, 실시예 2는 2.9 kgf/cm2, 비교예 1은 1.8 kgf/cm2 비교예 2는 1.9 kgf/cm2로 나타나 본 발명의 고화재가 보통 포틀랜드시멘트에 비하여 초기 강도는 우수하게 발현하는 결과를 보였다. 이는 고화재와 물과 토양이 반응하여 신속한 발열반응에 의해 토양입자의 단립화를 이루어 압밀 촉진 효과를 얻을 수 있기 때문이다. 그러나 28일 강도의 결과를 보면 시멘트의 경우 계속되는 수화반응에 의해 장기강도는 지속적으로 상승하는 결과를 보이지만, 본 발명의 고화재의 경우는 지속적인 강도발현이 크지 않은 것을 알 수 있다. 이는 시멘트와는 고결반응 메커니즘이 상이한 것으로, 고화재 중의 상대적으로 적은 원료인 슬래그 미분말이 황산염 등과 반응하며 잠재수경성 반응을 나타내기 때문인 것으로 판단된다. 그러나 이러한 상대적 저 강도가 굴착공사의 재시공이나 보수공사를 위해서는 반드시 필요한 특징으로 본 고화재조성물의 장점이라 판단된다.
Claims (4)
- 산화칼슘(CaO) 함량이 35%~70%인 제지슬러지 소각잔재 100중량부에 대하여, 고로슬래그미분말 80~150중량부, 페트롤코우크스 탈황석고 40~100중량부, 황산염자극제 5~10중량부 및 유동화제분말 1~5중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 저강도 및 초속경성을 갖는 유동화 되메움재용 고화재.
- 제1항에 있어서,
상기 소각잔재는 비표면적이 2,500~6,000/g인 것을 특징으로 하는 저강도 및 초속경성을 갖는 유동화 되메움재용 고화재.
- 제1항에 있어서,
상기 황산염 자극제는 황산칼슘, 황산알루미늄, 황산마그네슘 및 황산나트륨 중 선택된 어느 하나이거나 둘 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 저알칼리, 저강도 및 초속경성을 갖는 유동화 되메움재용 고화재.
- 제1항에 있어서,
상기 유동화제분말은 멜라민계, 나프탈린계, 리그닌계 유동화제 분말 중 선택된 어느 하나이거나 둘 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 저알칼리, 저강도 및 초속경성을 갖는 유동화 되메움재용 고화재.
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